La estrecha dependencia existente entre las emisiones de partículas y el estilo de conducción se denota también en esta gráfica. En el suave, las subidas son con pendientes muy poco pronunciadas y durante la marcha del vehículo la curva permanece casi horizontal. La normal presenta un mayor número de subidas, además de ser algo más pronunciadas y cortas, por el hecho de que los tiempos de aceleración hasta una velocidad permanente son menores y los cambios de marcha aumentan en número. La curva tiene una elevada subida que probablemente fue debida a un fuerte periodo de aceleración en el que el conductor viese necesario incrementar de manera rápida la velocidad, o, simplemente, no fue consciente de ello. La curva de conducción agresiva posee desde el comienzo fuertes pendientes de subida de corta longitud, y, que a medida que se va realizando el ensayo, tienden a suavizarse.
Tabla 6.9 Factor de emisión de partículas según estilo de conducción con paradas (Estudio E2)
La diferencia es evidente, siendo el factor de emisión de una conducción suave un 60% menor que en una conducción agresiva. Las elevadas revoluciones que alcanza el motor en el ensayo en agresivo frente a las bajas que toma en el suave son determinantes para acrecentar la diferencia entre los factores de emisión de ambas.
1,272 0,629 1,57 1 1 1 4,99 4,99 4,99 0,255 0,126 0,315 𝑃𝑎𝑟𝑡 𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑀𝑖 𝑔/𝑠 𝑡 (𝑠) 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 ( 𝑚) 𝐹𝐸 (𝑔/ 𝑚) 𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑢𝑎𝑣𝑒 𝐴𝑔𝑟𝑒𝑠𝑖𝑣𝑎 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛
6.3.2 Masa acumulada y factor de emisión en conducción eliminando
paradas
El objetivo es similar al estudio E1 de temperatura de arranque: comprobar si la dependencia del tiempo es mayor que la del estilo de conducción. Previamente se ha visto cómo para el NO entre una conducción con arranque en frío y una en caliente sí que era un parámetro vital a tener en cuenta. La cuestión ahora es ver cómo influye en estos ensayos.
Gráfica 6.12 Emisiones de NO según estilo de conducción sin paradas (Estudio E2)
Las curvas se agresivo y suave vuelven a solaparse, quedando la curva del ensayo normal a una distancia más cercana a ambas. La diferencia se ha reducido de forma notable, como puede asegurarse mediante la tabla 6.10.
Tabla 6.10 Factor de emisión de NO según estilo de conducción sin paradas (Estudio E2)
En este caso los factores de emisión agresivo y normal son un 15% menor que el normal, el cual ha tenido un ensayo de mayor duración como ya se ha comentado en ocasiones anteriores. Queda demostrado la relación con el tiempo que presenta esta variable más que frente al tipo de conducción.
8,632 7,132 7,2 1 1 1 4,99 4,99 4,99 1,73 1,429 1,443 𝑁𝑂 𝑀𝑖 𝑔/𝑠 𝑡 (𝑠) 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 ( 𝑚) 𝐹𝐸 (𝑔/ 𝑚) 𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑢𝑎𝑣𝑒 𝐴𝑔𝑟𝑒𝑠𝑖𝑣𝑎 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛
Gráfica 6.13 Emisiones de NO2 según estilo de conducción sin paradas (Estudio E2)
La masa acumulada de NO2 parece ser dependiente del estilo de conducción y del tiempo.
Observando la gráfica previa de dióxido de nitrógeno se verifica que la curva que indica la cantidad de NO2 acumulada en conducción normal ha visto disminuido su valor. De esta
forma, se encuentra superpuesta a la de conducción suave, manteniéndose la del ensayo agresivo aún muy por encima del resto.
Tabla 6.11 Factor de emisión de NO2 según estilo de conducción sin paradas (Estudio E2)
En cuanto a los factores de emisión se refiere, la diferencia existente normal-suave anterior se ha visto reducida notablemente, a pesar de que el de agresivo sigue siendo el que se encuentra por encima del resto. La diferencia normal-agresiva ahora se ha incrementado y la suave-agresiva ha disminuido mínimamente.
0,49 0,455 0,667 1 1 1 4,99 4,99 4,99 0,098 0,091 0,134 𝑁𝑂2 𝑀𝑖 𝑔/𝑠 𝑡 (𝑠) 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 ( 𝑚) 𝐹𝐸 (𝑔/ 𝑚) 𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑢𝑎𝑣𝑒 𝐴𝑔𝑟𝑒𝑠𝑖𝑣𝑎 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛
Gráfica 6.14 Emisiones de partículas según estilo de conducción sin paradas (Estudio E2)
La Gráfica 6.14 muestra de nuevo la inexistente relación que presentan las partículas con el tiempo. Apenas hay diferencia entre esta gráfica y la Gráfica 6.11, del mismo modo que tampoco la hubo en E1. Los valores de los factores de emisión son los muy similares a los anteriores también.
Tabla 6.12 Factor de emisión de partículas según estilo de conducción sin paradas (Estudio E2)
6.3.3 Factor de emisión según tramos de aceleración y deceleración
Resulta interesante concretar los distintos factores de emisión característicos de cada contaminante según el estilo de conducción, pero también lo es referenciarlo a periodos de aceleración o deceleración del vehículo. Este punto se centra en examinar este efecto en las emisiones de los distintos gases comentados a lo largo del trabajo.
La medida de contaminantes en función de etapas de aceleración o deceleración es un dato que dice más información como factor de emisión que como masa acumulada durante el ensayo, puesto que los tiempos de aceleración son bastante mayores que los de deceleración y referenciarlos en base a los kilómetros recorridos en cada tramos proporciona una mejor visión de los resultados obtenidos.
1,238 0,602 1,546 1 1 1 4,99 4,99 4,99 0,248 0,121 0,31 𝑃𝑎𝑟𝑡 𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑀𝑖 𝑔/𝑠 𝑡 (𝑠) 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 ( 𝑚) 𝐹𝐸 (𝑔/ 𝑚) 𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑢𝑎𝑣𝑒 𝐴𝑔𝑟𝑒𝑠𝑖𝑣𝑎 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛
Para ello sirve de gran ayuda el empleo de las tablas mostradas a continuación de cara a poder relacionar los datos de un modo más sencillo.
NO
Tabla 6.13 Factor de emisión NO aceleración/deceleración (Estudio E2)
Se aprecia una diferencia suficiente entre la etapa de aceleración y la de deceleración, aunque resulta algo llamativo lo que se viene analizando desde apartados anteriores, el mayor factor de emisión en la conducción normal respecto de las demás. Se ve una considerable diferencia en el factor de emisión en aceleración entre la conducción agresiva y suave, mientras que en deceleración son muy parejos.
NO2
Tabla 6.14 Factor de emisión NO2 aceleración/deceleración (Estudio E2)
El caso del NO2 es peculiar, ya que los valores tanto en aceleración como deceleración son
prácticamente los mismos, salvo en el caso de la conducción normal que, contra todo pronóstico, el factor de emisión en deceleración es algo superior al de aceleración.
Partículas
Tabla 6.15 Factor de emisión partículas aceleración/deceleración (Estudio E2)
Normal Suave Agresiva
Aceleración (g) 3,201 2,529 2,821
Deceleración (g) 1,193 1 0,742
Distancia aceleración (km) 1,582 1,619 1,685 Distancia deceleración (km) 0,773 0,795 0,578 Factor emisión aceleración (g/km) 2,023 1,562 1,674 Factor emisión deceleración (g/km) 1,543 1,258 1,284
Emisión de NO
Normal Suave Agresiva
Aceleración (g) 0,17 0,141 0,224
Deceleración (g) 0,088 0,068 0,076
Distancia aceleración (km) 1,582 1,619 1,685 Distancia deceleración (km) 0,773 0,795 0,578 Factor emisión aceleración (g/km) 0,107 0,087 0,133 Factor emisión deceleración (g/km) 0,114 0,086 0,131
Emisión de NO2
Normal Suave Agresiva
Aceleración (g) 0,443 0,311 0,61
Deceleración (g) 0,123 0,026 0,119
Distancia aceleración (km) 1,582 1,619 1,685 Distancia deceleración (km) 0,773 0,795 0,578 Factor emisión aceleración (g/km) 0,28 0,192 0,362 Factor emisión deceleración (g/km) 0,159 0,033 0,206
Los factores de emisión en partículas parecen cumplir con lo previsto a priori antes de realizar cualquier tipo de estudio: mayor en conducción agresiva que en normal y mayor en esta que en suave, además de ser en los tramos de deceleración menor que en los de aceleración. Es curioso el hecho de que el factor de emisión en deceleración agresiva se muy parecido al de aceleración suave, siendo en deceleración suave un valor realmente bajo. Esto denota la gran influencia que posee el régimen del motor en cuanto a emisión de partículas se refiere.
6.4 Estudio E3: Relación partículas-régimen del motor
A lo largo de los estudios presentados anteriormente se advierte un patrón común en todas las gráficas de caudal másico de partículas. En todas ellas se tienen picos de emisiones en momentos puntuales que denotan una diferencia abismal entre el caudal másico en dicho instante y el caudal másico durante el resto de la conducción. Una vez se analiza en profundidad el origen de dichos valores de emisiones, se comprueba que coinciden siempre con las aceleraciones en que el régimen motor crece repentinamente hasta valores elevados.
El análisis llevado a cabo únicamente muestra dicha comparación en el caso del arranque en frío, puesto que la tendencia de la gráfica es la misma para cualquiera de los cuatro casos estudiados en este trabajo.
Gráfica 6.15 Régimen/partículas - tiempo arranque en frío (Estudio E3)
Pese a presentar un breve retraso la señal de medida del analizador de partículas, se aprecia lo comentado en este apartado. Cuando se produce un aumento más drástico del régimen, la emisión de partículas es mayor, siendo algo más reducida en los momentos de cambios de marcha, que apenas suponen un cambio abultado en este valor.
Indirectamente, esta relación con el régimen viene ligada a una relación con la aceleración que el conductor impone al vehículo.
Gráfica 6.16 Velocidad/partículas - tiempo arranque en frío (Estudio E3)
La misma predilección observada entre las emisiones de partículas y el régimen se tiene con los tramos principales de aceleración, que registran prácticamente todo el caudal másico de partículas emitido, dejando valores muy bajos (cercanos a los 2-3 mg/s) en los tramos de conducción normal y deceleración.
Gracias a esta comparativa se puede ver qué parte de la conducción es la responsable de gran parte de las emisiones de este contaminante. Aunque, cierto es, que al ser momentos puntuales, en comparación con el resto de tiempo de la conducción, no se tienen valores de emisión en aceleraciones cercanos a la totalidad de la emisiones, pero sí superiores al 40% de la cantidad emitida en el trayecto en todos los casos propuestos en este trabajo.
7 CONCLUSIONES
7.1 Conclusiones generales
Una vez conseguidos los objetivos principales de este Trabajo Fin de Grado que son la remodelación del equipo de medida de emisiones portátil MIVECO PEMS 2.0 y el análisis de los datos obtenidos tras los diferentes ensayos llevados a cabo se reflexiona sobre ellos y se llega a las siguientes conclusiones:
Es evidente que todos los contaminantes estudiados en este trabajo dependen en mayor o menor medida del tiempo, puesto que una exposición prolongada con el motor encendido supone la evacuación a la atmósfera de los gases de escape aún en pequeñas cantidades. Principalmente el efecto del tiempo lo nota el NO, ya que en los tramos donde se encontraba parado el vehículo (semáforos, congestión de tráfico, etc.) el nivel de emisiones de este es elevado en comparación con los valores obtenidos durante la conducción.
En cambio, las partículas apenas notan este efecto. Cierto es que siempre se está emitiendo partículas, pero la cantidad emitida durante los tramos con el vehículo inmóvil suponen una contribución ínfima en comparación con las etapas en que el automóvil adquiere velocidad y eleva las revoluciones del motor. Es en estas etapas cuando se emite mayor cantidad de partículas a la atmósfera.
En cuanto al estudio que compara el arranque en frío con el arranque en caliente, se observa un mayor factor de emisión de NO2, debido, principalmente, a la estrecha
relación existente entre el caudal másico de escape y la temperatura de dichos gases. No ocurre así con el NO y las partículas. En el ensayo de NO cabe la posibilidad de que, aun habiendo realizado un estudio comparativo de los trayectos sin parada, se viese influenciado el ensayo por su dependencia con el tiempo (fue el ensayo más duradero). Además, el hecho de realizar la parada para cambiar las baterías antes de la realización de este ensayo, pudo influir, ya que las temperaturas de los gases de escape y del motor se vieron reducidas.
El ensayo de partículas presenta un pico de emisión en el caso de conducción con motor en caliente que afecta ligeramente a esta comparación. Se tiene así una cantidad de emisiones acumuladas mayor que en frío, aunque ambas curvas poseen una pendiente similar (salvo en el tramo correspondiente a dicho pico).
Centrando la atención en el estilo de conducción, parece ser que el NO no presenta una clara relación con este factor, puesto que las curvas de conducción suave y agresiva se superponen. Además, en la de conducción normal, cambia radicalmente la curva de la gráfica del estudio con paradas al de sin paradas, llegando a ser muy similar a la anteriores en este último. Tanto en NO2 como en
partículas el estilo de conducción juega un papel fundamental, siendo el agresivo el que proporciona un factor de emisión superior al resto, seguido por el normal. En el estudio E2 de partículas pueden verse diferencias muy marcadas entre los factores de emisión que presentan cada uno de estos estilos.
Los tramos de aceleración tienden a aumentar el factor de emisión en partículas y NO según el estilo de conducción. Los valores más elevados los presenta la conducción agresiva, después la conducción normal y, por último, la conducción suave. Puede observarse también valores muy distintos de factor de emisión entre los periodos de aceleración y los de deceleración de cada estilo.
En cambio, para NO2, los factores de emisión son prácticamente idénticos en
aceleración y deceleración en un mismo estilo de conducción. No se puede, por ello, sacar una conclusión clara de la relación existente entre este gas y la aceleración o deceleración del automóvil.
Por último, se aprecia una fuerte emisión de partículas en ciertos instantes de la conducción. Estos momentos coinciden con los que el conductor efectúa aceleraciones fuertes, revolucionando altamente el régimen de giro del motor. En estas etapas, aunque breves, se emiten cantidades totales de partículas superiores al 40% de las generadas en todo el trayecto.
7.2 Conclusiones personales
A nivel personal quiero comentar una serie de conclusiones que he desarrollado una vez he finalizado todo este proceso de estudio.
El enfrentarse a un problema real me ha ayudado mucho a adquirir una mayor perseverancia de cara a afrontar los problemas. A pesar de haber tenido semanas muy desmotivadoras en cuanto a avances, la constancia ha dado sus frutos.
Los conocimientos aprendidos durante el grado en varias asignaturas han sido de gran utilidad a la hora de entender ciertos aspectos del trabajo. Disciplinas como la mecánica de fluidos, la electrónica, la química, la electrotecnia, etc. han tenido su aportación en algún momento de este proyecto.
La posibilidad de trabajar en equipo siempre es beneficiosa para uno mismo. Me ha resultado muy reconfortante el colaborar con otras personas siempre dispuestas a echarme una mano y con ganas de enseñar.
El cálculo del presupuesto me ha impresionado dado el valor que ha adquirido el proyecto. Para mí era algo novedoso ya que no sabía muy bien el alto valor de las distintas partes que forman parte de este todo.
En general estoy muy conforme con toda esta etapa y con los aspectos que me ha propiciado el realizar el presente trabajo.
8 LÍNEAS FUTURAS
Los pasos mostrados a continuación representan una serie de estudios y mejoras podidos llevar a cabo a partir del presente trabajo:
Saneamiento del cableado eléctrico del Bloque Miveco. Es necesario el diseño y construcción de un módulo que cubra todos estos cables. Esto se debe a que están en una zona de manejo del operario y en ocasiones han dado problemas de conexión.
Trasvase de programas y datos a un nuevo ordenador portátil más moderno, ya que el actual está obsoleto y provoca fallos en momentos inesperados de los ensayos.
Diseño y construcción de un módulo general que agrupe todos los equipos en uno solo para un mejor manejo y transporte de este.
Análisis de emisiones en automóviles más modernos, con el fin de crear una línea de estudio progresiva. Implementar los estudios a vehículos gasolina
9 BIBLIOGRAFÍA
[1] F. Payri y J. M. Desantes, Motores de combustión interna alternativos, Valencia: Reverté, 2011.
[2] N. S. Plugs, «NGK Spark PLugs,» 2016. [En línea]. Available: https://www.ngk.de/es/es/tecnologia-en-detalle/calentadores/principios-de-los-
calentadores/funcionamiento-del-motor-diesel/. [Último acceso: Mayo 2016].
[3] D. d. I. E. y. F. (. d. Valladolid), 2013. [En línea]. Available: https://alojamientos.uva.es/guia_docente/uploads/2013/511/53711/1/Documento1.pdf. [Último acceso: Mayo 2016].
[4] D. M., «Aficionados a la mecánica,» 2014. [En línea]. Available: http://www.aficionadosalamecanica.net/emision-gases-escape.htm. [Último acceso: Abril 2016].
[5] J. Casanova, Apuntes asignatura Motores Térmicos, Madrid, 2015.
[6] N. Fonseca, Aspectos de la medición dinámica de emisiones de motores. Aplicación al
desarrollo de un equipo portátil y una metodología para estudios de contaminación de vehículos en tráfico real, Madrid, 2012.
[7] L. Mengotti, Estudio del consumo y de las emisiones en tráfico real de un vehículo
todoterreno diésel fuera de carretera, 2013.
[8] LabVIEW, «National Instruments,» 2016. [En línea]. Available: http://www.ni.com/labview/buy/esa/. [Último acceso: Mayo 2016].
ANEXO I. Presupuesto
En este apartado se detallan los costes estimados del Trabajo. Este abarca un plan financiero típico de un presupuesto de ingeniería teniendo en cuenta tres tipos de gastos: costes personales, costes de material y costes generales.
Las estimaciones empleadas para su realización han sido las siguientes:
El coste por hora de trabajo del alumno se ha considerado teniendo en cuenta que el precio medio por hora trabajada de un ingeniero junior es de alrededor de 15 €/h. Este dato se ha obtenido a raíz de la suposición de que un sueldo a media jornada en un trabajo es de unos 1300 €. El número total de horas ha sido determinado teniendo en cuenta una dedicación media de 45 horas al mes.
El coste por hora de un ingeniero sénior (así considerado el tutor del trabajo) es de unos 40 €/h según lo consultado en la web.
El técnico de laboratorio genera un coste de 20€/h.
El software utilizado es:
o Microsoft Office Home 2013: este paquete no supone ningún coste al usuario. o LabVIEW: la licencia de este programa tiene un valor de 3350 €, según [8].
El coste del material adquirido para optimizar la versión anterior del equipo MIVECO PEMS (desglosado en la tabla) asciende hasta un total de 2503 €.
Los equipos informáticos, de adquisición de datos y de medidas están valorados inicialmente en 7400€. Se considera una vida útil de 8 años y una amortización lineal.
El gasto en combustible para los ensayos ha sido de 50 €.
El coste de la impresión y encuadernación no es conocido en un principio, pero basándose en Trabajos anteriores se ha estimado al alza en 50 €.
El coste del lugar de trabajo (Laboratorio de Motores Térmicos y domicilio) comprende los costes de electricidad, calefacción y aire acondicionado. Para calcular el importe aproximado se ha estimado, en función del precio de la electricidad (0,1194 €/kW) y de la potencia de los equipos, un valor de 510 €.
La tabla mostrada a continuación muestra el presupuesto del presente Trabajo Fin de Grado.
Tabla Anexo I.1 Presupuesto final del proyecto
PARTIDAS PRECIO
PRESUPUESTO UNITARIO
1
1.1 Horas de trabajo Ingeniero Junior 15 520 7.800
1.2 Horas de trabajo Ingeniero Sénior 40 15 600
1.3 Horas de trabajo Técnico de laboratorio 20 20 400
2
2.1 Racores M 1/4 1,87 20 37,4
2.2 Uniones racor hembra-hembra 4,7 17 79,9
2.3 Uniones racor tipo T 5,94 6 35,64
2.4 Abrazaderas 2,5 14 35
2.5 Tunería de silicona 6,26 16 100,16
2.6 Decantador 21,3 2 42,6
2.7 Botella de calibración de nitrógeno 200 1 200
2.8 Conector "banana" 27 1 27
2.9 Conector de corriente 8 1 8
2.10 Sonda Lambda Etas 150 1 150
2.11 Sonda Horiba NOx 1800 1 1800
2.12 Anclaje bicicletas 49,5 1 49,5 2.13 Amortización equipos - - 625 2.14 Combustible 1 50 50 2.15 Programa LabVIEW 3350 1 3350 2.16 Encuadernación 50 1 50 3
3.1 Electricidad, calefacción, aire acondicionado 510 1 510
15.950 COSTES GENERALES UNIDADES PRESUPUESTO TOTAL CONCEPTO IMPORTE COSTE DE PERSONAL COSTE DE MATERIAL
ANEXO II. Puesta a punto previa del MIVECO PEMS 2.0
1. BLOQUE MIVECO
A continuación se muestra en detalle todas partes del bloque principal del equipo MIVECO PEMS 2.0. Es una forma muy sencilla de familiarizarse con los distintos displays y
conexiones con que cuenta.
Figura Anexo II.1 Bloque MIVECO parte delantera
Figura Anexo II.3 Bloque MIVECO parte trasera 2
Los conectores mostrados en la segunda figura corresponden a los siguientes aparatos: El CONECTOR 1 es la alimentación del equipo Peltier.
El CONECTOR 2 es la conexión del radar doppler (no utilizado en este proyecto). El CONECTOR 3 es la conexión del analizador de partículas.
El CONECTOR 4 es la conexión del sensor de régimen de giro.
2. GUÍA MONTAJE EN VEHÍCULO PREVIO A ENSAYO
Con el objetivo de que el proceso de montaje y puesta a punto del equipo de cara a la realización de un ensayo, se ha redactado la siguiente guía de pasos a seguir para poder lograr un satisfactorio ensayo:
Montar los equipos en la parte trasera del vehículo.
Realizar las conexiones hidráulicas de acuerdo a lo estipulado en el Manual de utilización del equipo MIVECO PEMS 2.0 (páginas 77 a 81) [9].
Realizar las conexiones eléctricas en el orden impuesto en el Manual de utilización